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TECHNISCHES GEBIET
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Die
Erfindung betrifft allgemein Elektromotorsysteme und insbesondere
ein Verfahren und eine Vorrichtung für einen sensorlosen Anlauf
eines Permanentmagnet-Wechselstrommotors (Permanentmagnet-AC-Elektromotors)
in einem Elektromotorsystem.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Während der
Anlaufbeschleunigung eines Permanentmagnet-Wechselstrommotors (Permanentmagnet-AC-Elektromotors)
gemäß herkömmlicher
Logarithmen, in denen die Rotorposition basierend auf Spannung und
Strom ohne Verwendung des Rotorpositions- und -geschwindigkeitssensors
(d. h. gemäß „sensorlosen
Algorithmen”)
geschätzt
wird, wird eine Stromvektorposition gemäß einem feststehenden Profil
zum Ansteigen gebracht und es wird erwartet, dass die Position eines
Rotors des Motors hinter der Position des Stromvektors zurückbleibt, während die
Stromamplitude so geregelt wird, dass sie konstant ist. Wenn während des
Anlaufvorgangs ein großes
Lastdrehmoment erforderlich ist, dann wird der Strom hoch genug
eingestellt, um das erforderliche Anlaufdrehmoment zu erzeugen,
während
in einem Zustand mit geringer Last durch den Strom Übergangsschwingungen
der Winkeldifferenz zwischen dem Stromvektor und der Rotorposition
in den Motor eingeleitet werden. Diese Übergangsschwingungen erzeugen
während
des Anlaufs des Permanentmagnet-Wechselstrommotors unerwünschte mechanische
Oszillationen in diesem.
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Dementsprechend
ist es wünschenswert,
ein Verfahren und eine Vorrichtung für den Anlauf eines Permanentmagnet-Wechselstrommotors
in einem Elektromotorsystem bei verringerten mechanischen Oszillationen
anzugeben. Zusätzlich
ist es wünschenswert,
Stromspitzen während
eines sensorlosen Anlaufs eines Permanentmagnet-Wechselstrommotors
zu vermeiden. Darüber
hinaus gehen weitere wünschenswerte
Merkmale und Eigenschaften der Erfindung aus der nachfolgenden detaillierten
Beschreibung und den angehängten
Ansprüchen,
zusammen mit den begleitenden Zeichnungen und dem vorstehend angegebenen
technischen Gebiet und dem technischen Hintergrund, hervor.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es
wird ein Verfahren für
den Anlauf eines Permanentmagnet-Wechselstrommotors angegeben. Das
Verfahren umfasst folgende Schritte: Detektieren eines Anlaufs des Permanentmagnet-Wechselstrommotors;
Detektieren einer mechanischen Oszillation des Permanentmagnet-Wechselstrommotors,
wenn der Anlauf des Permanentmagnet-Wechselstrommotors detektiert wird;
und, als Antwort auf das Detektieren der mechanischen Oszillation
des Permanentmagnet-Wechselstrommotors beim Detektieren des Anlaufs
des Permanentmagnet-Wechselstrommotors, Unterdrücken der mechanischen Oszillation
des Permanentmagnet-Wechselstrommotors.
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Zusätzlich ist
ein Controller zum Erzeugen von Drehmomentkommandoströmen zur
Regelung eines Permanentmagnet-Wechselstrommotors angegeben. Der
Controller umfasst einen Stromwelligkeitsdetektor, ein Anlaufdrehmoment-Kommandomodul,
einen Drehmoment/Strom-Wandler und einen Anlaufschaltercontroller.
Der Stromwelligkeitsdetektor detektiert eine Stromwelligkeit in
Statorströmen des
Permanentmagnet-Wechselstrommotors und erzeugt ein Stromwelligkeitssignal
als Antwort darauf. Das Anlaufdrehmoment-Kommandomodul ist mit dem
Stromwelligkeitsdetektor gekoppelt und modifiziert ein vorbestimmtes
Anlaufdrehmomentkommando als Antwort auf das Stromwelligkeitssignal,
um ein Drehmomentkommando zu erzeugen. Der Drehmoment/Strom-Wandler
wandelt das Drehmomentkommando in Drehmomentkommandoströme, und
der Anlaufschaltercontroller koppelt das Anlaufdrehmoment-Kommandomodul
mit dem Drehmoment/Strom-Wandler nach dem Anlauf des Permanentmagnet-Wechselstrommotors,
während
eine Geschwindigkeit des Permanentmagnet-Wechselstrommotors geringer
ist als eine vorbestimmte Geschwindigkeit.
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Weiter
ist ein Elektromotorsystem angegeben, welches einen Permanentmagnet-Wechselstrommotor,
einen Feldorientierungscontroller und einen Controller aufweist.
Der Feldorientierungscontroller ist an den Permanentmagnet-Wechselstrommotor
gekoppelt, um Phasenströme
zu modifizieren, welche dem Permanentmagnet-Wechselstrommotor zugeführt werden,
um für
diesen eine elektrische Regelung bereitzustellen. Der Controller
ist mit den Phasenströmen
gekoppelt und umfasst einen Stromwelligkeitsdetektor, ein Anlaufdrehmoment-Kommandomodul,
einen Drehmoment/Strom-Wandler und einen Anlaufschaltercontroller.
Der Stromwelligkeitsdetektor detektiert eine Stromwelligkeit in
den Phasenströmen
des Permanentmagnet-Wechselstrommotors und erzeugt ein Stromwelligkeitssignal
als Antwort darauf. Das Anlaufdrehmoment-Kommandomodul ist mit dem
Stromwelligkeitsdetektor gekoppelt, um ein vorbestimmtes Anlaufdrehmomentkommando
als Antwort auf das Stromwelligkeitssignal zu modifizieren, um ein
Drehmomentkommando zu erzeugen. Und der Drehmoment/Strom-Wandler
wandelt das Drehmomentkommando in Drehmomentkommandoströme. Der
Anlaufschaltercontroller koppelt das Anlaufdrehmoment-Kommandomodul
mit dem Drehmoment/Strom-Wandler nach dem Anlauf des Permanentmagnet-Wechselstrommotors,
während
eine detektierte Geschwindigkeit des Permanentmagnet-Wechselstrommotors
geringer ist als eine vorbestimmte Geschwindigkeit. Der Feldorientierungscontroller
ist darüber
hinaus mit dem Drehmoment/Strom-Wandler gekoppelt, um die Phasenströme zur Regelung
des Permanentmagnet-Wechselstrommotors als Antwort auf pulsbreitenmodulierte Ströme zu modifizieren,
welche als Antwort auf die Drehmomentkommandoströme erzeugt werden.
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BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die folgenden Figuren beschrieben,
in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente kennzeichnen:
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1, umfassend 1A, 1B und 1C,
veranschaulicht Vektordiagramme von Betriebszuständen eines Elektromotorsystems.
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2 veranschaulicht
ein Blockschaltbild eines Elektromotorsystems gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung.
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3 veranschaulicht
ein Blockschaltbild eines Stromwelligkeitsdetektors des Elektromotorsystems
von 2 gemäß der Ausführungsform
der Erfindung.
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4, umfassend 4A und 4B,
veranschaulicht Graphen des Anlaufverhaltens eines Elektromotorsystems
ohne Einsatz von Drehmoment- oder Geschwindigkeitsdämpfung gemäß der Ausführungsform
der Erfindung.
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5, umfassend 5A und 5B,
veranschaulicht Graphen des Anlaufverhaltens eines Elektromotorsystems
unter Einsatz von Drehmomentdämpfung
gemäß der Ausführungsform
der Erfindung.
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6, umfassend 6A und 6B,
veranschaulicht Graphen des Anlaufverhaltens eines Elektromotorsystems
unter Einsatz von Geschwindigkeitsdämpfung gemäß der Ausführungsform der Erfindung.
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7, umfassend 7A und 7B,
veranschaulicht Graphen des Anlaufverhaltens des Elektromotorsystems
von 2 unter Einsatz sowohl der Drehmoment- als auch
der Geschwindigkeitsdämpfung
gemäß der Ausführungsform
der Erfindung.
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8, umfassend 8A und 8B,
veranschaulicht Graphen des Stromansprechverhaltens für ein Elektromotorsystem
ohne Drehmoment- und Geschwindigkeitsdämpfung gemäß der Ausführungsform der Erfindung (8A)
und für
das Elektromotorsystem von 2 mit Drehmoment-
und Geschwindigkeitsdämpfung
gemäß der Ausführungsform
der Erfindung (8B).
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BESCHREIBUNG EINER EXEMPLARISCHEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Die
folgende detaillierte Beschreibung ist von ihrer Art her rein exemplarisch
und soll weder die Erfindung noch die Anwendung oder den Einsatz
der Erfindung beschränken.
Darüber
hinaus ist keine explizit oder implizit zum Ausdruck gebrachte Theorie, welche
vorstehend bezüglich
des technischen Gebietes, des Standes der Technik, der kurzen Zusammenfassung
oder der folgenden detaillierten Beschreibung vorgestellt wurde,
als bindend gedacht.
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Das
Oszillationsansprechverhalten eines Permanentmagnet-Wechselstrommotors
(PMAC) ohne einen Wellensensor ist wohl bekannt, und sein mechanisches
Verhalten wird in Gleichung (1) unter der Annahme modelliert, dass
ein Konstantstromvektor während
des sensorlosen Anlaufvorgangs gedreht wird: Jm d2/dt2 θr + Bm d/dt θr + TL = KT is sin(θe – θr) (1)wobei
Jm die Trägheit des Motors ist, Bm der Reibungskoeffizient, TL das
(konstante) Lastdrehmoment, KT die Drehmomentkonstante
des PMAC-Motors, is die Amplitude des Motorstroms, θr Rotorposition und θe die
Winkelposition des Statorstromvektors. Während der Anlaufbeschleunigung
wird gemäß den meisten
konventionellen Anlaufalgorithmen die Stromvektorposition θe gemäß einem
feststehenden Profil zum Ansteigen gebracht und die Stromamplitude
is wird konstant geregelt. Dementsprechend
wird erwartet, dass die Rotorposition hinter dem Statorstromwinkel
zurückbleibt.
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Die
Rotorposition θr weist eine Relation zur Stromvektorposition θe auf, wie sie in Gleichung (2) gegeben ist,
und die Amplitude des Motorstroms ist wie in Gleichung (3) gezeigt
definiert. θe = θr + Δ + δ (2) is = Is + īs (3) wobei δ der Kleinsignalbereich
der Positionsdifferenz ist und Δ die
durchschnittliche Positionsdifferenz zwischen dem Stromvektor und
der Rotorposition definiert. Is ist die
durchschnittliche Stromamplitude und ~ bedeutet die Kleinsignal-Stromvariationen.
Wenn ein hohes Lastdrehmoment während
des Anlaufvorgangs erforderlich ist, dann sollte Is so
eingestellt werden, dass ein ausreichend großes Anlaufdrehmoment erzeugt
wird und Δ dazu
tendiert, sich eng an +π/2
anzunähern.
In einem Zustand mit geringer Last strebt Δ gegen 0. Der Kleinsignalbereich
der Positionsdifferenz δ repräsentiert
die Übergangsszillation der
Winkeldifferenz zwischen dem Stromvektor und der Rotorposition.
Deshalb kann Gleichung (1) unter der Annahme, dass der Kleinsignalbereich
der Positionsdifferenz δ klein
ist, wie in Gleichung (4) gezeigt angenähert werden. Jm d2/dt2 θr + Bm d/dt θr + TL ≈ KT Is sin Δ + (KT Is cos Δ)·δ + (KT sin Δ)·ĩs (4)
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Der
erste Ausdruck der rechten Seite von Gleichung (4) steht für das Beschleunigungsdrehmoment
während
des Anlaufs und der dritte und der vierte Ausdruck beziehen sich
auf das Oszillationsansprechverhalten. In einem stationären Zustand wird
die Oszillation während
des Anlaufs gemäß Gleichung
(5) modelliert, indem der erste Term aus der Gleichung (4) fallengelassen
wird. Jm d2/dt2 δ + Bm d/dt δ +
(KT Is cos Δ)·δ = –(KT sin Δ)·ĩs (5)
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In
Gleichung (5) wird die mechanische Oszillation durch die Stromvariation
erregt und die Eigenfrequenz der Oszillation wird bestimmt durch
die Trägheit
Jm und den durchschnittlichen Strom. Wenn die
mechanische Reibung in Bezug auf die Trägheit Jm geringer
wird, tendiert das mechanische System, wie es in Gleichung (5) dargestellt
ist, dazu, stärker zu
oszillieren. Diese mechanische Oszillation kann auch die Oszillation
des Motorstromes erregen. Die Stromkreisgleichung des PMAC-Motors
kann dann in der komplexen Form gemäß Gleichung (6) angenähert werden,
wobei der Effekt des Motorwiderstands vernachlässigt wird: V →S = j Nr Ls ĪS + j Nr Ψf e-j(Δ+δ) = j Nr Ls I →S + E → (6)wobei VS die Motorspannung ist, LS die
Statorinduktanz, rs der Statorwiderstand
und Ψf der magnetische Fluss, der durch den Permanentmagneten
erzeugt wird, Nr ist die Motorgeschwindigkeit,
j steht für
den Imaginärteil
der komplexen Zahl und → steht
für die komplexe
Vektorgröße.
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Mit
Bezug auf 1A ist ein Vektordiagramm 100 im
stationären
Zustand eines konventionellen PMAC-Motors (d. h. mit δ = 0 und ĩs = 0) dargestellt. Die 1B und 1C zeigen
Vektordiagramme 120 bzw. 130 in nicht stationären Zuständen des
PMAC-Motors. Der Vektor E 102 stellt die gegenelektromotorische
Kraft (BEMF = engl. backward electromotive force) dar, die durch
den Magnetfluss entsteht, und dieser Vektor geht um 90° dem Flusspositionsvektor 104 voraus.
Gemäß Gleichung
(6) wird der Motorstromvektor 110 durch die Relation zwischen
dem Motorspannungsvektor 106 und dem BEMF-Vektor 102 bestimmt
und ist senkrecht zum Vektor VS – E 108.
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Wenn
der Stromcontroller nicht schnell genug ist, um den Strom zu regulieren,
dann variiert die Motorspannung (d. h. der Ausgang des Stromcontrollers)
langsam. Das Vektordiagramm 100 stellt ein Vektordiagramm
des stationären
Zustands dar, wenn keine Oszillation der Motorposition oder der
Stromamplitude vorhanden ist. Der Stromvektor ĪS 110 geht dem
Magnetflussvektor 104 um eine Positionsdifferenz Δ 114 voraus.
Mit Bezug auf die Vektordiagramme 120 und 130 bleibt
die Position des Spannungsvektors 106 unverändert gegenüber der
Position des Spannungsvektors 106 von 1A.
Aufgrund der mechanischen Oszillation von Gleichung (5) nimmt, wenn δ positiv
ist, wie im Vektordiagramm 120 gezeigt, der Motorstrom
zu (d. h. Vektor 122 im Vergleich zum ursprünglichen
Motorstromvektor 110 (in den 1B und 1C zum
Vergleich gezeigt)). Im entgegengesetzten Fall, wie er im Vektordiagramm 130 gezeigt
ist, nimmt der Motorstrom ab (d. h. Vektor 132 im Vergleich
zum ursprünglichen
Motorstromvektor 110). Dementsprechend ist aus den Vektordiagrammen
der 1A, 1B und 1C klar, dass
die mechanische Oszillation des PMAC-Motors zu einer Oszillation
des Motorstroms führt.
Umgekehrt ist es auch klar, dass die mechanische Oszillation detektiert
und durch Variation des Motorstroms während des Anlaufvorgangs unterdrückt werden kann.
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Mit
Bezug auf 2 umfasst ein Blockdiagramm
eines Elektromotorsystems 200 gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung einen dreiphasigen PMAC-Motor 210 mit einem
Drehmoment Te und einer Geschwindigkeit
Nr. Ein Feldorientierungscontroller 220 mit
stromregulierter Pulsbreitenmodulation erzeugt und stellt für den PMAC-Motor 210 Statorströme in drei
Phasen 225 bereit, um diesen elektrisch zu regeln. Ein
Controller 230 ist mit den Phasen 225 gekoppelt,
um Spannungen und erfasste Statorströme von jeder der Phasen 225 zu
empfangen, um einen sensorlosen Antriebsmechanismus zum Treiben
des PMAC-Motors 210 bereitzustellen. Um den sensorlosen
Antriebsmechanismus bereitzustellen, schätzt ein sensorloses Algorithmusmodul 248 die Motorgeschwindigkeit N ^r und die Position θ ^r basierend
auf der Motorspannung (Vas, Vbs und
Vc s) und dem Motorstrom
(ias, ibs und ics). Wenn Schalter 240 und 242 auf
den ”sensorlosen
Modus” gestellt
werden, erzeugt ein Geschwindigkeitscontroller 244 das Drehmomentkommando
Te(SC)**, um die Motorgeschwindigkeit gemäß dem Geschwindigkeitskommando
Nr* zu regulieren, und ein Drehmoment/Strom-Wandlungsblock 236 übersetzt
das Drehmomentkommando Te(SC)** in ein entsprechendes
Stromkommando, um den Feldorientierungscontroller 220 anzutreiben.
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In
den meisten Fällen
kann das sensorlose Algorithmusmodul 248 genaue Abschätzungsergebnisse
bei hoher Geschwindigkeit liefern. Jedoch ist eine solche Abschätzung bei
der Geschwindigkeit null oder in einem niedrigen Geschwindigkeitsbereich,
in dem die Motorspannung zu klein für die Verwendung bei der Abschätzung ist,
nicht möglich.
In solchen Fällen
werden gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
die Schalter 240 und 242 auf den ”Anlaufmodus” gestellt,
wodurch eine Beschleunigung basierend auf Drehmoment- und Geschwindigkeitskommandos
ermöglicht
wird. Während
dieser Beschleunigung kann der PMAC-Motor 210 mechanische
Oszillation zeigen.
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Der
Controller 230 verwendet zwei Verfahren zum Unterdrücken der
mechanischen Oszillation des PMAC-Motors 210 während des
Anlaufvorgangs, um eine schnellere Beschleunigung während des
Anlaufs mit erhöhten
Grenzwerten für
das Anlaufdrehmoment ohne Erhöhung
der Grenzwerte für
den Phasenstromschutz bereitzustellen. Ein Verfahren erfordert das
Einstellen der Stromamplitude IS zum Unterdrücken der
Quelle der mechanischen Oszillation, wie in Gleichung (5) angegeben,
und das andere Verfahren erfordert das Einstellen der Stromvektorposition θe zum Dämpfen
des Oszillationsansprechverhaltens, wie in Gleichung (5) angegeben.
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Gemäß der vorliegenden
Ausführungsform umfasst
der Controller 230 einen Stromwelligkeitsdetektor 232 zum
Detektieren einer Stromwelligkeit in Statorströmen der drei Phasen 225.
Der Stromwelligkeitsdetektor 232 erzeugt ein Stromwelligkeitssignal als
Antwort auf die Statorströme,
und ein Anlaufdrehmoment-Kommandomodul 234 modifiziert
ein vorbestimmtes Anlaufdrehmomentkommando Te(start)**
als Antwort auf das Stromwelligkeitssignal, um ein Drehmomentkommando
Te* zur Weitergabe an den Drehmoment/Strom-Wandler 236 zu
erzeugen. Der Drehmoment/Strom-Wandler 236 wandelt das
Drehmomentkommando Te* in das Stromkommando
isd*, isq* zur Weitergabe
an den Feldorientierungscontroller 220 um. Ein Anlauf-Rotorpositionsmodul 238 ist ebenfalls
mit dem Stromwelligkeitsdetektor 232 gekoppelt und modifiziert
das Geschwindigkeitskommando NT* als Antwort
auf das Stromwelligkeitssignal, um ein Anlauf-Rotorpositionssignal θr* zu erzeugen, wobei das Anlauf-Rotorpositionssignal θr* ebenfalls an den Feldorientierungscontroller 220 weitergegeben
wird.
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Zum
Umschalten vom Anlaufmodus in den sensorlosen Hochgeschwindigkeitsbetrieb
wirken der erste Anlaufschaltercontroller 240 und der zweite Anlaufschaltercontroller 242 darauf
hin, dass der Controller 230 in einen Anlaufbetriebsmodus
gesetzt wird, wenn die Geschwindigkeit des PMAC-Motors 210 als
unterhalb einer vorbestimmten Geschwindigkeit liegend detektiert
oder eingeschätzt
wird, und in einen sensorlosen Hochgeschwindigkeitsmodus, wenn die
Geschwindigkeit des PMAC-Motors 210 als bei oder oberhalb
einer vorbestimmten Geschwindigkeit liegend detektiert oder eingeschätzt wird.
Der erste Anlaufschaltercontroller 240 koppelt das Anlaufdrehmoment-Kommandomodul 234 mit
dem den Drehmoment/Strom-Wandler 236 nach dem Anlauf des
PMAC-Motors 210, während
die detektierte Geschwindigkeit des PMAC-Motors 210 unterhalb
der vorbestimmten Geschwindigkeit liegt. Wenn die detektierte Geschwindigkeit
des PMAC-Motors 210 oberhalb
der vorbestimmten Geschwindigkeit liegt, koppelt der erste Anlaufschaltercontroller 240 den Geschwindigkeitscontroller 244 mit
dem Drehmoment/Strom-Wandler 236 für eine sensorlose Regelung
des PMAC-Motors 210 bei Geschwindigkeiten größer als
die vorbestimmte Geschwindigkeit. Der Eingang in den Geschwindigkeitscontroller 244 ist ein
Signal aus einem Summierer 246, welches die Differenz zwischen
dem Geschwindigkeitskommando NT* und einem
sensorlosen Hochgeschwindigkeitssignal Nr^,
das vom sensorlosen Hochgeschwindigkeits-Algorithmusmodul 248 als Antwort
auf die erfassten Ströme
und Spannungen der Phasen 225 erzeugt wird, errechnet.
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Der
zweite Anlaufschaltercontroller 242 koppelt das Anlauf-Rotorpositionsmodul 238 mit
dem Drehmoment/Strom-Wandler 236 nach dem Anlauf des PMAC-Motors 210,
während
die detektierte Geschwindigkeit des PMAC-Motors 210 geringer
ist als die vorbestimmte Geschwindigkeit. Wenn die detektierte Geschwindigkeit
des PMAC-Motors höher
ist als die vorbestimmte Geschwindigkeit, koppelt der zweite Anlaufschaltercontroller 242 das
sensorlose Hochgeschwindigkeits-Algorithmusmodul 248 mit dem
Drehmoment/Strom-Wandler 236,
um ein sensorloses Rotorpositionssignal θr^
von diesem zu empfangen, wobei das sensorloses Rotorpositionssignal θr^ ebenfalls von dem sensorlosen Hochgeschwindigkeits-Algorithmusmodul 248 als
Antwort auf die erfassten Ströme
und Spannungen der Phasen 225 erzeugt wird.
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Während des
Anlaufmodus wird das Drehmomentkommando auf Te(start)**
fixiert, und die Rotorposition θe für
die Motorregelung wird auf die angewiesene Position θr* eingestellt, welche von einem Integrator 250 des
Anlauf-Rotorpositionsmoduls 238 so berechnet wird, dass
es das Integral der angewiesenen Geschwindigkeit Nr*
ist. Das Stromwelligkeitssignal vom Stromwelligkeitsdetektor 232 wird
dazu verwendet, das feste Anlaufdrehmoment Te(start)**
und die angewiesene Position θr* durch ein Drehmomentdämpfungssignal ΔTdamp bzw. ein Geschwindigkeitsdämpfungssignal ΔNdamp zu modifizieren. Das Drehmomentdämpfungssignal ΔTdamp wird von einem Drehmomentdämpfungsmodul 252 als
Antwort auf das Stromwelligkeitssignal erzeugt, und das feste Anlaufdrehmoment
Te(start)** wird bei einem Anlaufdrehmomentkommando-Summierer 254 modifiziert, indem
das Drehmomentdämpfungssignal ΔTdamp vom festen Anlaufdrehmoment Te(start)** subtrahiert wird, wodurch das
Drehmomentkommando für
die Weiterleitung an den Drehmoment/Strom-Wandler 236 während des
Anlaufmodus erzeugt wird. Auf ähnliche Weise
wird das Geschwindigkeitsdämpfungssignal ΔNdamp durch ein Geschwindigkeitsdämpfungsmodul 256 als
Antwort auf das Stromwelligkeitssignal erzeugt, und das Geschwindigkeitskommando
Nr* wird bei einem Anlaufgeschwindigkeits-Summierer 258 modifiziert,
indem das Geschwindigkeitsdämpfungssignal ΔNdamp vom Geschwindigkeitskommando Nr* subtrahiert wird, wobei die Differenz
an den Integrator 250 weitergeleitet wird, um die angewiesene
Position θr* für
die Weiterleitung an den Feldorientierungscontroller 220 während des
Anlaufmodus zu erzeugen.
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Die
tatsächliche
Rotorposition θr soll der angewiesenen Position θr* folgen. Nach dem Erreichen der vorbestimmten
Geschwindigkeit, welche bei einem ausreichenden Geschwindigkeitsniveau
liegen sollte, bei dem der sensorlose Hochgeschwindigkeitscontroller 248 richtig
arbeiten kann, schalten der erste und der zweite Anlaufschaltercontroller 240, 242 den
Controller 230 vom Anlaufmodus in den sensorlosen Modus.
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Mit
Bezug auf 3 ist ein Blockschaltbild des
Stromwelligkeitsdetektors 232 gemäß der Ausführungsform der Erfindung mit
dem Drehmomentdämpfungsmodul 252 und
dem Geschwindigkeitsdämpfungsmodul 256 gezeigt.
Ein Übergangsstrom-Simulationsmodul 310 simuliert
das Ansprechverhalten des Feldorientierungscontrollers 220 und erzeugt
ein Übergangsstromsignal
als Antwort auf die Statorströme,
wobei das Übergangsstromsignal ein
gewünschtes Übergangsansprechverhalten
der Stromamplitude gemäß dem Drehmomentkommando
simuliert. Ein erstes Modul 312 des Übergangsstrom-Simulationsmoduls 310 multipliziert
das Anlaufdrehmomentkommando Te(start)**
mit dem Inversen der Drehmomentkonstanten KT,
um ein entsprechendes Stromkommando- Amplitudensignal zu erzeugen. Das Stromkommando-Amplitudensignal passiert
dann einen Tiefpassfilter 314 erster Ordnung, um das Ansprechverhalten
des Feldorientierungscontrollers 220 zu simulieren, was
zum Übergangsstromsignal
führt,
welches das erwartete Stromansprechverhalten ȋs*
von dem Drehmomentkommando ist. Das Motordrehmoment des PMAC-Motors 210 ist
proportional dem Motorstrom, und der Feldorientierungscontroller 220 ist
dafür konstruiert,
ein Ansprechverhalten erster Ordnung auf die Bandbreite von ωc aufzuweisen. Der Tiefpassfilter 314 kann bei
bestimmten Anwendungen weggelassen werden, wenn das Stromansprechverhalten
schnell genug ist.
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Ein
Stromamplituden-Einstellmodul 320 erzeugt ein Stromamplitudensignal,
das eine Stromamplitude des Motorstroms von den drei Statorströmen darstellt.
Ein drei/zwei-Umwandlungsblock 322 wandelt
die Dreiphasen-Statorströme
in Zweiphasenströme
(orthogonale Ströme)
um. Erste und zweite Quadrierungsblöcke 324, 325 quadrieren
jeden der orthogonalen Ströme,
wobei ein Summierer 326 die Quadrate der Ströme addiert,
und ein Quadratwurzelblock 328 erzeugt ein Stromamplitudensignal is. Ein Stromwelligkeits-Summierer 330 erzeugt das Stromwelligkeitssignal ĩs als Differenz zwischen dem erwarteten Stromansprechverhalten ȋs* und dem Stromamplitudensignal is. Das Stromwelligkeitssignal ĩs ist für
die Stromwelligkeit repräsentativ,
welche das Ergebnis der in den obigen Gleichungen (5) und (6) gezeigten
Oszillationen ist.
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Der
Ausgang des Stromwelligkeitsdetektors 232 wird dazu verwendet,
die Kompensationswerte des Drehmomentkommandos und des Geschwindigkeitskommandos
durch das Drehmomentdämpfungsmodul 252 GT bzw. das Geschwindigkeitsdämpfungsmodul 256 GN zu berechnen. Das Geschwindigkeitsdämpfungsmodul 256 GN wandelt die Stromwelligkeit in das Geschwindigkeitsdämpfungssignal
um, um das Ansprechverhalten der in Gleichung (5) gezeigten Oszillation
zu dämpfen.
Mit erneutem Bezug auf 1B geht der Stromamplitudenvektor 122 über den
angewiesenen Stromvektor 110 entsprechend dem angewiesenen
Drehmoment hinaus, wenn die Rotorposition hinter der erwarteten
Rotorposition, wie sie durch das stationäre Vektordiagramm 100 von 1B bestimmt
wird, zurückbleibt. Es
ist deshalb notwendig, die Rotationsgeschwindigkeit des Stromvektors
zu reduzieren, um sie dem stationären Stromvektor 110 anzunähern.
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Im
entgegen gesetzten Fall, der in 1C gezeigt
ist, führt
die Rotorposition über
die erwartete Rotorposition hinaus, und der Stromamplitudenvektor 132 wird
reduziert. Es ist deshalb unter dieser Bedingung notwendig, die
Rotation des Stromvektors 132 zu verstärken, um mit dem angewiesenen
Stromvektor 110 Schritt zu halten. Das Geschwindigkeitsdämpfungssignal
vom Geschwindigkeitsdämpfungsmodul 256 GN in den 2 und 3 sollte
deshalb positiv im Frequenzbereich der Oszillation liegen, um den
Eingang des Integrators 250 zu verringern.
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Das
Drehmomentdämpfungsmodul 252 GT funktioniert auf ähnliche Weise. Wie in Gleichung
(6) gezeigt, wird der Strom durch die Motorspannung und die gegenelektromotorische
Kraft (BEMF) bestimmt. In einem Anlaufvorgang, welcher das in Gleichung
(6) gezeigte Verhalten aufweist, ist es aufgrund der durch die Oszillation
der BEMF hervorgerufenen Störung
schwierig, den Strom zu regeln, wodurch möglicherweise ein Überstromfehler
auftritt. Das Drehmomentdämpfungssignal
vom Drehmomentdämpfungsmodul 252 GT gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
reduziert das Drehmomentkommando, wenn der Motor nicht dem angewiesenen
Strom folgen kann, um einen solchen Überstromfehler zu verhindern.
Gleichzeitig unterdrückt
das Drehmomentdämpfungssignal
die Quelle der mechanischen Oszillation, wie in Gleichung (5) als
rechtsseitiger Term gezeigt. Ähnlich
dem Geschwindigkeitsdämpfungssignal
wird das ursprüngliche
Drehmomentkommando Te(start)** vom Drehmomentdämpfungs-Signalausgang
des Drehmomentdämpfungsmoduls 252 GT subtrahiert.
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Gemäß der vorliegenden
Ausführungsform kann
der Controller 230 unter Verwendung sowohl des Drehmomentdämpfungsmoduls 252 GT als auch des Geschwindigkeitsdämpfungsmoduls 256 GN implementiert werden, oder der Controller 230 kann
unter bloßer
Verwendung des Drehmomentdämpfungsmoduls 252 GT oder des Geschwindigkeitsdämpfungsmoduls 256 GN implementiert werden. Zusätzlich können sowohl
das Drehmomentdämpfungsmodul 252 GT als auch das Geschwindigkeitsdämpfungsmodul 256 GN unter Verwendung konstanter Werte oder
in Form einer Frequenzfunktion implementiert werden.
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Somit
ist ersichtlich, dass ein Verfahren für den Anlauf eines PMAC-Motors 210 das
Detektieren eines Anlaufs des PMAC-Motors 210 und das Aktivieren
der ersten und zweiten Anlaufschaltercontroller umfasst, um den
Controller 230 im Anlaufmodus zu betreiben. Der Anlauf
des Motors 210 ist als Betrieb des Motors 210 bei
einer geringeren Geschwindigkeit als der vorbestimmten Geschwindigkeit
definiert, welche notwendig für
den adäquaten
Betrieb des sensorlosen Hochgeschwindigkeitscontrollers 248 ist.
Während
des Anlaufmodusbetriebs des Controllers 230 detektiert
der Stromwelligkeitsdetektor 232 die mechanischen Oszillationen
des PMAC-Motors 210 durch Detektieren der Stromwelligkeit
in den Statorströmen
der Phasen 225.
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Während eine
spezielle Implementierung des Stromwelligkeitsdetektors 232 in 3 gezeigt wurde,
sind andere Implementierungen gemäß der vorliegenden Ausführungsform
für den
Fachmann ebenfalls leicht ersichtlich. Beispielsweise kann der Stromwelligkeitsdetektor 232 durch
einen beliebigen Hochpassfilter oder einen Bandpassfilter substituiert werden,
wenn die Frequenz der mechanischen Oszillation wohl bekannt ist.
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Mit
nunmehrigem Bezug auf 4, welche die 4A und 4B beinhaltet,
veranschaulichen die Graphen 410, 420, 430 und 440 ein
erstes Anlaufansprechverhalten eines oberflächenmontierten Hochgeschwindigkeits-PMAC-Motors 210.
Die maximale Geschwindigkeit des Motors 210 beträgt 84.000 U/min
und der sensorlose Hochgeschwindigkeitsalgorithmus kann geeignet
arbeiten, wenn die Geschwindigkeit des Motors 210 mehr
als 10.000 U/min beträgt.
In 4 muss der Motor 210 in
einem Anlaufvorgang auf 15.000 U/min gebracht werden, und zwar ohne
Verwendung einer Drehmomentdämpfung oder
einer Geschwindigkeitsdämpfung
gemäß der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Mit Bezug auf 4A veranschaulicht
der Graph 410 die Geschwindigkeitszunahme als Funktion
der Zeit und der Graph 420 veranschaulicht das Drehmoment
des Motors 210 als Funktion der Zeit. Während der Zeitperiode von t
= 0 sec bis t = 0,15 sec wird der Motor 210 im Anlaufmodus
betrieben, und das Oszillationsverhalten des Motors ist deutlich
zu erkennen. Beispielsweise stellt im Graph 410 die Linie 412 das
Geschwindigkeitskommando dar, während
die Linie 414 die tatsächliche
Geschwindigkeit des Motors 210 darstellt. Im Graph 420 stellt
die Linie 422 das tatsächliche
Drehmoment dar, welches vom Motor 210 erzeugt wird, wobei
das externe Drehmoment, das dem Motordrehmoment entgegenwirkt, auf
null gesetzt wurde (Linie 424), da keine mechanische Last während des
Anlaufvorgangs besteht. Die Linie 426 stellt das Drehmomentkommando
Te** dar.
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Mit
Bezug auf Graph 430 von 4B wird das
Drehmomentkommando Te** durch den Drehmoment/Strom-Wandler 236 in
das Stromkommando isd*/isq*
transformiert. Das Stromkommando isd*, Linie 432,
und das Stromkommando isq*, Linie 434,
werden durch den Drehmoment/Strom-Umwandlungsblock 236 als
Antwort auf das Drehmomentkommando Te** und
auf Betriebsbedingungen wie der Motorgeschwindigkeit und der Inverterspannung
bestimmt. Die Linien 436 und 438 stellen die orthogonalen
Ströme
Isd und Isq dar,
welche die von den mechanischen Oszillationen des Motors während des
Anlaufmodus erzeugten Oszillationen tragen.
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Die
Spannungs- und Stromamplituden des Motors 210, Vs und Is, sind als
Linien 442 und 444 auf dem Graph 440 von 4B dargestellt.
Die Stromamplitude Is nimmt oszillierend
zu, bis der sensorlose Algorithmus bei t = 0,15 sec aktiviert wird,
und das Motordrehmoment (Linie 422, Graph 420)
und die Geschwindigkeit (Linie 414, Graph 410)
ebenfalls ein Oszillationsverhalten zeigen.
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Mit
Bezug auf 5, welche die 5A und 5B umfasst,
entsprechen die Graphen 510, 520, 530 und 540 den
Graphen 410, 420, 430 bzw. 440 und
unterscheiden sich nur dadurch, dass die Graphen von 5 das Ansprechverhalten des Motors 210 während eines
Anlaufmodus veranschaulichen, wenn nur eine Drehmomentdämpfung GT verwendet wird. Der Stromwelligkeitsdetektor 232 detektiert
die Stromwelligkeit ĩs, und das Drehmomentsignal ΔTdamp wird am Summierer 254 hinzuaddiert,
was das Stromkommando isd*, Linie 532,
in Bezug auf die Stromwelligkeit verändert. Obwohl die Stromamplitude,
Linie 544, stabilisiert ist, ist das Drehmomentansprechverhalten 522 immer
noch oszillierend und nicht ausreichend gedämpft.
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Mit
Bezug auf 6, welche die 6A und 6B umfasst,
entsprechen die Graphen 610, 620, 630 und 640 den
Graphen 410, 420, 430 bzw. 440 und
unterscheiden sich nur dadurch, dass die Graphen der 6 das Ansprechverhalten des Motors 210 während des
Anlaufmodus veranschaulichen, wenn nur eine Geschwindigkeitsdämpfung GN verwendet wird. Das Motordrehmoment, Linie 622,
wird mit der Zeit gedämpft,
aber das Stromansprechverhalten, Linie 644, ist immer noch
oszillierend.
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Bezugnehmend
auf 7, welche die 7A und 7B umfasst,
entsprechen die Graphen 710, 720, 730 und 740 den
Graphen 410, 420, 430 bzw. 440 und
veranschaulichen das Ansprechverhalten des Motors 210 während eines
Anlaufmodus, wenn sowohl Drehmomentdämpfung GT als auch
Geschwindigkeitsdämpfung
GN gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
verwendet werden. Wie aus den Graphen 730 und 740 von 7B ersichtlich ist,
zeigt die Stromamplitude (z. B. Linie 744) ein gut geregeltes,
nicht oszillierendes Verhalten, wodurch die mechanische Oszillation
des PMAC-Motors 210 gedämpft
wird.
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Mit
Bezug auf 8, welche die 8A und 8B umfasst,
veranschaulicht Graph 810 das Stromansprechverhalten für das Elektromotorsystem 200 ohne
Drehmoment- und Geschwindigkeitsdämpfung gemäß der Ausführungsform der Erfindung. Graph 840 veranschaulicht
das Stromansprechverhalten für
das Elektromotorsystem 200 mit Drehmoment- und Geschwindigkeitsdämpfung gemäß der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Der eingekreiste Abschnitt 820 in
den Graphen 810 und 840 zeigt den Anlaufvorgang,
d. h. den Zeitraum, bevor die Motorgeschwindigkeit gleich der vorbestimmten
Geschwindigkeit oder größer als
diese wird. Aufgrund der Natur des PMAC-Motors 210 im Frequenzbereich
(d. h. der Natur bezüglich
des Oszillationsansprechverhaltens des PMAC-Motors 210)
während des
Anlaufvorgangs 820, führt
der Versuch des Stromregulators, den konstanten Stromvektor bei
der Bezugsgeschwindigkeit rotieren zu lassen, zu einem oszillierenden
Stromansprechverhalten auf der Linie 812.
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Mit
Bezug auf 8B veranschaulicht Graph 840 die
Tatsache, dass, wenn das Verfahren für den Anlauf des PMAC-Motors 210 gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
so implementiert ist, dass sowohl Drehmoment- als auch Geschwindigkeitsdämpfung als
Antwort auf das Detektieren einer Stromwelligkeit verwendet werden,
das Stromansprechverhalten 842 während des Anlaufvorgangs 820 geglättet wird,
wodurch die Stromoszillationen entfernt werden. Deshalb verhindert
ein Einsatz des Anlaufmodus oder des Anlaufvorgangs gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
einen Anlauffehler, der durch Überstromsverläufe hervorgerufen
wird, und ermöglicht,
dass das Anlaufdrehmoment erhöht wird,
ohne den Stromschutzgrenzwert zu erhöhen, wodurch eine schnellere
Beschleunigung während des
Anlaufens ermöglicht
wird.
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Während in
der vorstehenden detaillierten Beschreibung zumindest eine exemplarische
Ausführungsform
gezeigt wurde, ist anzumerken, dass eine große Anzahl an Variationen existiert.
Es ist auch anzumerken, dass die exemplarische Ausführungsform
oder die exemplarischen Ausführungsformen
nur Beispiele darstellen und nicht gedacht sind, den Schutzbereich,
die Anwendbarkeit oder die Konfiguration der Erfindung in irgendeiner
Weise zu beschränken.
Eher gibt die vorstehende detaillierte Beschreibung dem Fachmann
eine geeignete Anleitung an die Hand, um die exemplarische Ausführungsform oder
die exemplarischen Ausführungsformen
zu implementieren. Verschiedene Änderungen
können
bezüglich
der Funktion und der Anordnung von Elementen gemacht werden, ohne
den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen, wie durch die beigefügten Ansprüchen und
deren rechtliche Äquivalente
gegeben ist.